Thiết kế robot sơn 4 bậc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Khoa Khoa Học Ứng Dụng CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨAVIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc Ngày tháng năm PHIẾU CHẤM BẢO VỆ LVTN (Dành cho người hướng dẫn/phản biện) Họ tên SV: Kiều Đức Vũ MSSV: K0304384 Ngành (chuyên ngành): Cơ Kỹ Thuật Đề tài: Khảo sát động học robot bậc tự ứng dụng công nghệ s ơn Họ tên người hướng dẫn/phản biện: Tổng quát thuyết minh: - Số trang: - Số bảng số liệu: - Số tài liệu tham khảo: Hiện vật (sản phẩm): - Số chương: - Số hình vẽ: - Phần mềm tính toán: Tổng quát vẽ - Số vẽ: A0 - Số vẽ vẽ tay: 00 Số vẽ máy tính: 00 Những ưu điểm LVTN: ……………………………………………… …… ……………………………………………………………………… …………………… ……………………………………………………………………… …………………… ……………………………………………………………………… …………………… ……………………………………………………………….…… …………… ………… Những thiếu sót LVTN: …………………………………………………… ……………………………………………………………………… …………… ……… ……………………………………………………………………… …………………… ……………………………………………………………………… …………………… ……………………………………………………………….…… …………… ………… Đề nghị: Được bảo vệ Bổ xung thêm để bảo vệ Không bảo vệ Câu hỏi SV phải trả lời trước Hội đồng (CBPB 02 câu) a ……………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… b … ……………………………………………………………………………… …….…………………………………………………………………………… c ……………………………………………………………………………… … ………………………………………………………………………………… Đánh giá chung (bằng chữ: giỏi, khá, TB): Điểm /10 Ký tên (ghi rõ họ tên) ĐẠI HỌC QUỐC GIA THANH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CƠ KỸ THUẬT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT BỐN BẬC TỰ DO DÙNG TRONG CÔNG NGHỆ SƠN GVHD: TS PHAN TẤN TÙNG SVTH : KIỀU ĐỨC VŨ MSSV : K0304384 TP HCM, THÁNG 1/2009 -o0o - LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KHẢO SÁT ĐỘNG HỌC ROBOT BỐN BẬC TỰ DO DÙNG TRONG CÔNG NGHỆ SƠN GVHD: TS Phan Tấn Tùng SVTH : Kiều Đức Vũ MSSV : K0304384 Tp HCM, Tháng 1/2008 iii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA o0o - NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP KHOA: KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN: CƠ KỸ THUẬT HỌ VÀ TÊN: NGÀNH: KIỀU ĐỨC VŨ CƠ KỸ THUẬT MSSV: LỚP: K0304384 KU03BCKT Đầu đề luận án: Khảo sát động học robot bốn bậc tự d ùng công nghệ sơn Nhiệm vụ (yêu cầu nội dung số liệu ban đầu): Robot sơn mặt phẳng có kích thước tối đa 1500 × 850mm Thuyết minh: (60  70 trang A4) Chương 1: Tổng quan Chương 2: Động học robot Chương 3: Thiết kế động học robot bậc tự Chương 4: Thiết kế nguyên lý điều khiển Chương 5: Mô robot bậc tự Kết luận Bảng vẽ: A0 Lập trình: Mô Simulink Ngày giao nhiệm vụ luận án: 15 tháng năm 2008 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30 tháng 12 năm 2008 Họ tên người hướng dẫn: TS Phan Tấn Tùng (Bm Cơ Diện Tử - Khoa Cơ Khí) Nội dung yêu cầu LATN thông qua Bộ môn: Phần hướng dẫn: Toàn phần Ngày 20 tháng 10 năm 2008 CHỦNHIỆM BỘ MÔN (ký ghi rõ họ tên) NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH (ký ghi rõ họ tên) TS Phan Tấn Tùng PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN Người duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ: Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ luận án: i v LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp giai đoạn cuối sinh viên trải qua sau năm học tập để trở thành kỹ sư hoạt động lĩnh vực mà chọn sau hoàn thành chương trình đào tạo trường Đại học Quá trình thực luận văn tốt nghiệp trình đầu tư nghiêm túc sinh viên, bên cạnh thầy cô giáo động viên, giúp đỡ sinh viên Do đó, để hoàn tất đề tài luận văn phần không nhỏ l nhờ công ơn thầy cô giáo tận tình hướng dẫn giúp đỡ em Đó sở động lực để em hoàn thành tốt luận văn Cảm ơn thầy Phan Tấn Tùng, thầy trực tiếp hướng dẫn, giảng dạy nhiệt tình em suốt trình thực đề tài luận văn Cũng xin gởi lời cảm ơn đến thầy cô Bộ môn Cơ Kỹ Thuật, đến thầy cô trực tiếp giảng dạy em đồng thời gởi lời cảm ơn đến bạn sinh viên lớp KU03BCKT động viên đóng góp ý kiến giúp đỡ em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp nh hoàn thành tốt chương trình đào tạo trường Lời cuối cùng, xin dành để cảm ơn gia đình, đặc biệt Cha Mẹ dưỡng dục quan tâm để có ngày hôm Do hạn chế thời gian trình độ nên luận văn tránh khỏi thiếu sót mong góp ý, lời nhận xét bổ sung thầy cô bạn sinh viên Xin chân thành cảm ơn! v TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài “Khảo sát động học robot bốn bậc tự dùng công nghệ sơn” nhằm tìm hiểu vấn đề sau: – Tìm hiểu robot, nghiên cứu tính toán khái quát động học cho robot công nghiệp, từ áp dụng tính toán động học cho robot bốn bậc tự sơn mặt phẳng – Tính toán động học nhằm tìm hiểu nguyên lý hoạt động robot, khả chuyển động linh hoạt khâu l àm cho khâu tác động cuối chuyển động theo quỷ đạo mong muốn chuyển động từ điểm đến điểm theo thời gian mong muốn Mục tiêu việc tính toán động học định vị định hướng điểm tác động cuối thời điểm Trong tính toán động học có hai toán quan trọng toán thuận toán ngược Ngoài có toán vận tốc – Tính toán toán thuận để tìm vị trí hướng điểm tác động cuối so với hệ tọa độ gốc Tính toán toán động học ngược với kết nghiệm gồm góc θ 1, θ2, θ3 Tính toán toán vận tốc để tìm mối quan hệ vận tốc khớp với vận tốc dài điểm tác động cuối – Dựa vào toán vận tốc để đưa luật điều khiển cho robot theo quỹ đạo , từ đưa nguyên lý điều khiển cho robot – Tiến hành mô robot bốn bậc tự Simulink (một công cụ mô phần mềm Matlab) với nhiệm vụ robot sơn mặt phẳng, để thấy trình hoạt động robot không gian ảo Đồng thời, thông qua kết mô nhằm kiểm tra đánh giá khả hoạt động robot nh kiểm tra kết tính toán vi MỤC LỤC Đề mục Trang Trang bìa i Nhiệm vụ luận văn ii Lời cảm ơn iii Tóm tắc iv Mục luc v Danh sách hình vẽ vii Danh sách bảng biểu x CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Sơ lượt trình phát triển robot công nghiệp 1.2 Ứng dụng robot công ng hệ sơn 1.3 Định nghĩa robot công nghiệp 1.4 Các yêu cầu kỹ thuật 1.4.1 Các đặt tính robot công nghiệp .7 1.4.2 Hệ thống chuyển động robot 1.5 Một số hình ảnh robot sơn 11 CHƯƠNG ĐỘNG HỌC ROBOT 13 2.1 Động học vị trí robot .13 2.1.1 Biểu diễn ma trận 13 2.1.2.Các phép biến đổi .16 2.1.3 Nghịch đảo ma trận phép biến đổi 25 2.2 Động học thuận cấu hình robot điển hình 26 2.2.1 Phương trình động học vị trí thuận biểu diễn vị trí 26 vii 2.2.2 Phương trình động học thuận biểu diễn hướng 30 2.2.3 Phương trình động học biểu diễn vị trí hướng 32 2.3 Động học thuận robot 33 2.3.1 Tham số nối khớp 33 2.3.2 Phương pháp thiết kế khung tọa độ - Phép biểu diễn Danevit-Hartenberg 33 2.3.3 Quan hệ hai khung tọa độ i i + 34 2.3.4 Phương trình động học .35 2.3.5 Trình tự thiết lập hệ phương trình động học robot .36 2.4 Động học ngược robot 37 2.4.1 Các điều kiện giải toán động học ngược .37 2.4.2 Lời giải phép biến đổi Euler .38 2.4.3 Lời giải phép biến đổi Roll-Pitch-Yaw (RPY) 40 2.5 Động học vận tốc 42 CHƯƠNG THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC ROBOT .44 3.1 Mô hình 44 3.2 Giải toán động học thuận đề tài 45 CHƯƠNG THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ BỘ ĐIỀU KHIỂN 52 4.1 Xây dựng ma trận Jacobian… 52 4.2 Động học vận tốc 55 4.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 56 CHƯƠNG MÔ PHỎNG ROBOT BẰNG SIMULINK .58 5.1 Giới thiệu sơ lượt Simulink… 58 5.2 Mô robot Simulink… 60 5.2.1 Các khối sử dụng 60 5.2.2 Chương trình mô .62 5.2.3 Kết mô .66 vi ii DANH SÁCH HÌNH VẼ STT Hình Tên hình Trang 1.1 Robot thực nhiệm vụ sơn phức tạp cho khung ô tô 1.2 Công nhân làm việc phun sơn 1.3 Robot sơn sản phẩm sơn 1.4 Robot phun sơn trang bị thiết bị tay cuối tháo lắp dễ dàng 1.5 Robot LR Mate 200iB 1.6 Hình dạng điển hình phận robot công nghiệp 1.7 Các tọa độ suy rộng robot 1.8 Quy tắc bàn tay phải 10 1.9 Biểu diễn trường công tác robot 10 10 1.10 Một số Robot sơn loại lớn tập đoàn ABB 11 11 1.11 Một số hình ảnh robot sơn loại nhỏ tập đoàn ABB 12 12 2.1 Biểu diễn vectơ không gian 13 13 2.2 Biểu diễn khung tọa có trùng gốc với khung tọa độ chuẩn 14 14 2.3 Biểu diễn khung tọa độ B khung tọa độ A 14 14 2.4 Biểu diễn phép biến đổi tịnh tiến đơn không gian 16 16 2.5 Tọa độ điểm P trước sau quay khung tọa độ B 17 17 2.6 Tọa độ điểm P khung tọa độ gốc khung tọa độ quay nhìn từ trục X 18 18 2.7 Minh họa phép biến đổi ví dụ 2.1 21 19 2.8 Minh họa phép biến đổi ví dụ 2.2 23 20 2.9 Minh họa phép biến đổi ví dụ 2.3 24 21 2.10 Robot kiểu tọa độ Đecac 27 22 2.11 Robot kiểu tọa độ trụ 28 23 2.12 Robot kiều tọa độ cầu 29 ix 24 2.13 Robot hoạt động theo hệ tọa độ góc 30 25 2.14 Phép biến đổi quay RPY 30 26 2.15 Phép biến đổi quay Euler 32 27 2.16 Thiết kế khung tọa độ nối 34 28 2.17 Quan hệ hai khung tọa độ 35 29 3.1 Mô hình robot 44 30 3.2 Chọn kích thước cho robot 45 31 3.3 Gắn hệ trục tọa độ cho robot 46 32 3.4 Mô hình robot nhìn từ xuống 46 33 4.1 Mô hình robot nhìn từ xuống 52 34 4.2 Quỹ đạo chuyển động robot 52 35 4.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển robot 57 36 5.1 Cửa sổ duyệt thư viện Simulink 59 37 5.2 Cửa sổ soạn thảo 59 38 5.3 Thư viện SimMechanics 60 39 5.4 Chương trình mô robot 62 40 5.5 Chương trình mô hệ thống điều khiển khớp 63 41 5.6 Chương trình mô hệ thống điều khiển khớp2 64 42 5.7 Chương trình mô hệ thống điều khiển khớp3 65 43 5.8 Chương trình mô hệ thống điều khiển khớp tịnh tiến 65 44 5.9 Hình dạng robot sec không gian chiều 66 45 5.10 Hình dạng robot sec thứ mặt phẳng X -Y 66 46 5.11 Quỹ đạo chuyển động điểm tác động cuối theo hệ trục X -Y sec thứ 67 47 5.12 Quỹ đạo chuyển động điểm tác động cuối theo hệ trục Y -Z sec thứ 67 48 5.13 Đồ thị góc θ1, θ2, θ3 sec thứ 68 49 5.14 Đồ thị vận tốc Vx, Vy, Vz sec thứ 69 x 5.2.3.4 Tại sec thứ 150 Hình dạng robot hình 5.27, hình 5.28 Hình 5.27 Hình dạng robot sec thứ 150 không gian chiều Hình 5.28 Hình dạng robot sec thứ 150 mặt phẳng X-Y Quỹ đạo chuyển động điểm tác động cuối Hình 5.29 Quỹ đạo chuyển động điểm tác động cuối theo hệ trục X-Y Hình 5.30 Quỹ đạo chuyển động điểm tác động cuối theo hệ trục Y-Z Các đồ thị góc vận tốc thay đổi theo chu kỳ 5.2.3.5 Tại sec 151 Tại sec thứ 151, nhìn vào quỹ đạo chuyển động điểm tác động cuối có sai số x ãy (hình 5.31): Hình 5.31 Sai số quỹ đạo chuyển động sec 151 theo phương X Sự sai số xãy liên tục đến sec thứ 151 thể rõ đồ thị Có sai số nguyên nhân sau: - Trong trình chạy chương trình xảy sai số việc tính toán phép toán phần mềm - Quá trình giải động học đề tài ta không tính đến sai số di chuyển robot, sai số có di chuyển robot Đây lý quan trọng hạn chế thời gian nên bước tính hướng phát triển đề tài Có thể nhiều nguyên nhân trình độ có hạn không tiếp xúc thực tế nên em suy nghĩ tới 5.2.3.6 Tại sec thứ 300 Hình dạng robot hình 5.32, hình 5.33 Hình 5.32 Hình dạng robot sec thứ 300 không gian chiều Hình 5.33 Hình dạng robot sec thứ 300 mặt phẳng X-Y Quỹ đạo chuyển động điểm tác động cuối Hình 5.34 Quỹ đạo chuyển động điểm tác động cuối theo hệ trục X-Y Hình 5.35 Quỹ đạo chuyển động điểm tác động cuối theo hệ trục Y-Z 5.3 Kết luận Luận văn tốt nghiệp Chương Chương 5: MÔ PHỎNG ROBOT BẰNG SIMULINK 5.1 Giới thiệu sơ lượt Simulink Simulink phần mền mở rộng MATLAB (1 Toolbox Matlab) dùng để mô hình hóa, mô phân tích hệ thống động Thông thường dùng để thiết kế hệ thống điều khiển, hệ thống thông tin ứng dụng mô khác Simulink thuật ngữ mô dễ nhớ ghép lại hai từ Simulation Link Simulink cho phép mô tả phân tích hệ thống động liên tục, rời rạc, tuyến tính phi tuyến thông qua giao diện GUI dạng sơ đồ khối Để vào Simulink Matlab, ta từ cửa sổ lệnh Matlab đánh dòng lệnh: >>simulink ↵ từ toolbar giao diện Matlab nhấn vào biểu tượng Khi khởi động Simulink xong cửa sổ Simulink Library Brower (hình 5.1) xuất Cửa sổ hoạt động liên kết với cửa sổ lệnh Matlab Ở ô bên trái liệt kê thư viện có để mô nhiều loại đối tượng, phần thư viện Simulink, ô bên phải liệt kê thư viện thư viện mẹ chọn Muốn tạo mô hình, trước tiên vào File–New–Model cửa sổ Simulink Library Browser nhấn vào biểu tượng hay nhấn tổ hợp phím Ctrl+N, cửa sổ soạn thảo Untitled (hình 5.2) Sau chọn khối cửa sổ Simulink Library Browser kéo thả qua cửa sổ soạn thảo - 106 - Hình 5.1 Cửa sổ duyệt thư viện Simulink Hình 5.2 Cửa sổ soạn thảo 5.2 Mô robot Simulink Để mô robot Simulink, ta dùng hai thư viện con: Simulink (hình 5.1) SimMechanics (hình 5.3) Hình 5.3 Thư viện SimMechanics 5.2.1 Các khối sử dụng Khối Body thư viện Bodies mô khâu robot Khối Revolute, khối Weld, khối Prismatic thư viện Joints mô khớp quay quanh trục, khớp nối cứng, khớp tịnh tiến Khối Joint Sensor Joint Actuator thư viện Sensor & Actuators khối lấy tín hiệu góc đưa tín hiệu điều khiển vào cho khớp Khối Data Store Write, khối Data Store Read, khối Data Store Memory thư viện Signal Routing Data Store Write ghi chép tín hiệu lấy vào Data Store Memory, Data Store Read đọc tín hiệu Data Store Memory để cung cấp tín hiệu vào Khối Scope, khối XY Graph thư viện Sinks Khối Scope hiển thị tín hiệu trình mô phỏng, khối XY Graph biểu thị hai tín hiệu hệ tọa độ xy dạng đồ họa Khối Fcn thư viện User-Defined Functions ta khai báo hàm biến vào dạng biểu thức Ngoài có khối Mux, Demux, Gain, Constant, Switch… 5.2.2 Chương trình mô Bảng 5.1 Thông số mô Kích thước Vận tốc Góc ban đầu Ký hiệu Giá trị Đơn vị Ký hiệu Giá trị Đơn vị Ký hiệu Giá trị Đơn vị a1 200 mm Vx m/s a2 1500 mm Vy 0.1 m/s θ01 độ a3 500 mm Vz - 0.1 m/s θ02 -63 độ a4 200 mm Do khảo sát động học robot nên ta bỏ qua khối lượng khâu Trong chương trình mô ta khai báo khối lượng khâu để tránh liên quan phần động lực học Chương trình mô robot cửa sổ soạn thảo thể hình 5.4 với thông số đầu vào xác định bảng 5.1 Hình 5.4 Chương trình mô robot Các tín hiệu góc lấy thông qua Joint Sensor ghi vào khối nhớ Memory thông qua khối Write, khối Read đọc tín hiệu Memory để đưa vào hệ thống điều khiển Các hệ thống điều khiển thể hình 5.5, hình 5.6, hình 5.7, hình 5.8 Hệ thống điều khiển vận tốc góc cho khớp quay thứ Hình 5.5 Chương trình mô hệ thống điều khiển khớp Hàm f(u) biểu thức tính vận tốc góc khớp θ1 = S12 Ey a2.S2 thức (4-17) xác định công Hệ thống điều khiển vận tốc góc cho khớp quay thứ hai Hình 5.6 Chương trình mô hệ thống điều khiển khớp Hàm f(u) biểu thức tính vận tốc góc khớp định công thức (4-17) θ2 = − (a S + a S )1 V 12 a2.a3.S2 Ey xác Hệ thống điều khiển vận tốc góc cho khớp quay thứ ba Được xác định thông qua công thức (4-17) θ3 = − (θ1 + θ2 ) Hình 5.7 Chương trình mô hệ thống điều khiển khớp Hệ thống điều khiển khớp tịnh tiến Hình 5.8 Chương trình mô hệ thống điều khiển khớp tịnh tiến TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Thiện Phúc (2006) Robot công nghiệp Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội [2] Nguyễn Mạnh Tiến (2007) Điều khiển Robot công nghiệp Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội [3] Tạ Duy Liêm (2004) Máy móc thiết bị công nghệ cao sản xuất Robot v hệ thống công nghệ Robot hóa Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội [4] Đào Văn Hiệp (2004) Kỹ thuật Robot Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội [5] John J Craig Introduction to Robotics Mechanics and Control, Second Edition Addison – Wesley Publishing Company [6] Lorenzo Sciavicco – Bruno Siciliano (International Editions 1996) Modeling and Control of Robot Mainipulators The McGraw – Hill Companies [7] Phạm Đăng Phước (http://www.timsach.com.vn/ebook.19.8472.html ) Robot công nghiệp Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng [8] Nguyễn Đức Thành (2005) Matlab ứng dụng điểu khiển Nhà Xuất Bản Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh [9] Nguyễn Phùng Quang (2004) Matlab & Simulink dành cho k ỹ sư điều khiển tự động Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội [10] Nguyễn Thanh Duẫn Simulink Matlab Luận án tốt nghiệp (http://www.timsach.com.vn/ebook.19.7757.html ) [11] Lưu Văn Hiệu – Lương Văn Hưng (2005) Ứng dụng công cụ SimMechanics mô hệ điều khiển cần trục Luận văn đại học Đại học Bách Khoa H Nội http://picvietnam.com/dbphong/Documents/SimMechanic% 20&%20Rotary%20Crane/Ung% 20dung%20SimMechanic%20mo%20phong%20can%20truc%20quay.pdf - 71 -